11_Kindrachuk.doc Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 72 Кіндрачук М.В.,* Міщук О.О.,** Хлевна Ю.Л.,* Данілов А.П.* * Національний авіаційний університет, ** Український НДІ нафтопереробної промисловості «МАСМА», м. Київ, Україна E-mail: yuliya-khlevna@yandex.ru ОСОБЛИВИЙ СТАН ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ КОНТАКТНОЇ ЗОНИ ТЕРТЯ ПАРИ БРОНЗА - СТАЛЬ УДК 621.891 Методами електронної Оже - спектроскопії та наноскопічного йонного розпорошення поверхневих проша- рків, растрової електронної та оптичної мікроскопії досліджено спряжені мікроділянки поверхонь тертя пари бронза- сталь. Проаналізовано елементну щільність та тонкоплівкову будову поверхневих шарів контактної зони тертя. Ви- явлено сильно ущільнений елементний стан "сервовитної плівки" у складі приповерхневих шарів бронзи. Ключові слова: бронза, сталь, тертя, поверхневі шари, щільність, Оже - аналіз. Вступ Під час нещодавніх досліджень мікроструктури та характеру механохімічних перетворень спря- жених ділянок поверхонь тертя трибологічної пари "бронза Бр.АЖМц10-3-1,5 (зразок) – сталь ШХ15 (контртіло) у гідрорідині АМГ-10" несподівано було виявлено [1], що "мідний" відтінок поверхонь тертя сталі, утворюваних у досліджуваній парі бронза-сталь, обумовлюється не "натертою" поверхневою плівкою міді, а кольором субмікронних поверхневих плівок оксидів заліза. Натомість, мікроділянки по- верхонь тертя бронзи були насичені вуглецем, концентрація якого в декілька разів перевищувала концентрацію кисню та виявилась настільки значною в межах поверхневого шару мікронної товщини, що дозволяла стверджувати про утворення в контактній зоні тертя на поверхні бронзи субмікронної поверхневої плівки на основі вуглецю, яка ізоморфно розчинює атоми міді та створює композиційну структуру тонкого конгломерату фаз з іншими елементами, серед яких реєстрували також залишки карбідних мікрофрагментів та легівні мікродомішки сталі. Подібне ніяк не пояснюється загальновідомою теорією ефекту "вибірного перенесення" в парі бронза - сталь [2, 3]. Але вказаний розподіл механохімічних процесів – глибокого окиснення поверхні тертя сталі та одночасного відновлення (навуглецювання) поверхні тертя бронзи – спостерігали як за чіткого феноменологічного підтвердження ефекту "вибірного перенесення", так й за умов, віддалених від оптимальних для його прояву, він зберігався за умови суттєвої зміни товщини механохімічно утворених поверхневих шарів бронзи та сталі та для різних температур експерименту [1]. Стан проблеми Аналіз складу мікродомішок та його розподілу в межах поверхневого шару бронзи після тертя в парі зі сталлю виявляє наявність мікрокомпозиційного типу структури поверхневого шару бронзи, що відповідає тонкому конгломерату фаз [1, 4]. Одна з мікроструктурних фаз утворюється ізоморфною сумішшю вуглецю та міді [1], а інша – наноскопічною сумішшю сполук інших домішок поверхневого шару (кисню, легівних мікродомішок бронзи та перенесених мікродомішок сталі). Характеристичне для карбідних структур сталі дольове співвідношення між вказаними мікроструктурними фазами бронзи, йо- го критична залежність від температури та, водночас, зміна властивостей самих фаз в доволі вузькому діапазоні температур 50 - 125 ºС [1] вказують на наявність непомічених раніше ефектів кооперативного утворення зносостійкої структури в контактній зоні тертя пари бронза - сталь, які потребують подальшо- го дослідження. Однією з важливих характеристик тонких поверхневих прошарків твердого тіла є їх елементна щільність, що, фактично, описує питому кількість атомів у площині аналізу. В [5] запропоновано прин- цип оцінювання її усередненої (в межах впливу електронного променя) величини з використанням мето- ду електронної Оже - спектроскопії та наноскопічного йонного розпорошення прошарків у вакуумній камері спектрометру. В подальшому виявлено інформативність цієї характеристики щодо процесів утво- рення границь між різнотипними поверхневими прошарками поверхонь тертя [6]. Метою роботи стало продовження досліджень вищевказаного особливого стану поверхневих шарів бронзи та сталі в межах різних мікроконтактів зони тертя пари бронза - сталь. Для цього проаналізовано зміни елементної щільності поверхневих прошарків на границях між спряженими в контактній зоні мікроділянками поверхонь бронзи та сталі та їх кореляції з елементним складом цих mailto:yuliya-khlevna@yandex.ru Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 73 прошарків. Врахування початково різної об’ємної щільності бронзи та сталі сприяло виявленню нових закономірностей механохімічної перебудови поверхневих шарів контактної зони. Загалом, у роботі про- довжено дослідження [1] з погляду на розвиток теорії ефекту "вибірного перенесення" та дослідження [5, 6] з методології виявлення особливостей структурних границь комплексних тонкоплівкових об’єктів, якими є механохімічно утворені тертьові шари на поверхні металів. 1. Об’єкти та методи досліджень Трибологічна пара "бронза Бр.АЖМц10-3-1,5 (секторний зразок) – сталь ШХ15 (контртіло) у гідрорідині АМГ-10 (кислотне число 0,02 мгКОН/г)" з коефіцієнтом взаємного перекриття поверхонь 0,25 була досліджена за однонаправленого ковзання на розробленому лабораторному пристрої торцевого тертя в режимі регулювання температури максимального саморозігрівання пари тертя, стабілізацію якої забезпечували в діапазоні 50 - 125 °С. Задавали сталу швидкість обертання бронзового кільця 2200 хв-1 та навантаження пари тертя в межах 10 - 300 Н. Детальніше методику наведено в [1]. Після тертя елементи пари "бронза - сталь" відмивали від залишків оливи в ізопропиловому спирті з метою дослідження поверхонь тертя. Мікроструктурні властивості останніх на різних стадіях дослідження вивчали методами оптичної мікроскопії на приладі Неофот-21, растрової електронної мікроскопії та енергодисперсійного рентгенівського мікроаналізу на приладі SELMI РЕМ-106 І. Для відібраних пар тертя виявляли характерні мікроділянки поверхонь тертя бронзи та сталі, що були спря- женими в межах контактної зони тертя [1]. Тонкоплівкову структуру тертьових поверхневих шарів для попередньо ідентифікованих мікроділянок поверхонь пари бронза - сталь досліджували методом електронної Оже - спектроскопії на Оже - мікрозонді JEOL JAMP-10S, розпорошуючи у вакуумі характеристичні мікрозони тертьових по- верхонь йонами аргону енергією 2 кеВ. Оже - спектри реєстрували за енергії електронного променя 10 кеВ в диференціальному режимі ЕdN(E)/dE за амплітуди модуляції 4 еВ. Концентрації елементів на досліджуваних поверхневих мікроділянках розраховували методом коефіцієнтів відносної чутливості, оцінюючи як міру концентрації елементу амплітуду його характеристичної спектральної лінії. Ефективна швидкість розпорошення поверхневого шару йонами аргону за товщиною складала 3 нм/хв. 1.1. Оцінювання елементної щільності поверхневих шарів Для оцінювання елементної щільності зносостійкого тертьового поверхневого шару досліджува- ли наступну його безрозмірну характеристику, отримувану методом Оже - спектроскопії (тобто без вра- хування можливої наявності атомів водню) за умови сталих параметрів пучка первинних електронів та системи реєстрації Оже - сигналу [5, 6]: Характеристика 00 /)()( SSS(h)hтика −= 0S , (1) де ( )hS – сумарна інтенсивність, нормована на відповідні коефіцієнти відносної чутливості, ха- рактеристичних Оже - ліній всіх елементів поверхневого прошарку, розташованого на глибині h, що про- порційна тривалості розпорошення досліджуваної поверхні йонами аргону; const0 ≅S є усередненим та характеристичним значенням величини ( )hS для об’єму металу. Різним за природою матеріалам, таким як сталь та бронза, властиві, загалом, різні значення 0S та відповідають різні оцінювальні характеристики елементної щільності (1): 01011 ))(()( /SShShСh −= , (2) 02022 ))(()( /SShShСh −= , (3) де )(1 hСh та )(2 hСh – характеристики елементної щільності поверхневих шарів за рівнянням (1), розраховані відносно величин 0S , властивих об’єму сталі та бронзи відповідно; 01S та 02S – значення 0S для сталі та бронзи. З метою отримання характеристики елементної щільності, неперервної на контактній границі тертя пари бронза - сталь (після режимів граничного тертя пари), введемо єдину для обох металів харак- теристику поверхневих шарів, відштовхуючись від властивостей значно краще [5, 6] вивченої сталі ШХ15: 010112 ))(()( /SShShСh −= , (4) Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 74 з граничною умовою щодо рівності величини S(h) на границі тертя (h = 0) як з боку поверхні сталі, так й бронзи: rBSt )0()0( SS = . (5) Тоді, для поверхневих шарів сталі буде виконуватись: )()( 112 hСhhСh = , (6) а для поверхневих шарів бронзи: )Br/St())Br/St(1)(()( 212 СhСhhСhhСh ++= , (7) 010102 /)()Br/St( SSSСh −= . (8) Відзначимо, що в разі вимірювання характеристик елементної щільності (2) та (3) для обох металів без експериментально узгодженого визначення величин 01S та 02S значення величини )Br/St(Сh можна оцінити з експерименту із застосуванням граничної умови (5). 2. Результати досліджень та їх обговорення Змінюючи навантаження та температурні умови тертя досліджуваної пари бронза-сталь в гідрорідині АМГ-10, виявили умови, за яких на феноменологічному рівні чітко ідентифікували відомий ефект "вибірного перенесення" в контактній зоні цієї пари та утворення на тертьовій поверхні бронзи по- верхневого шару, що дістав назву "сервовитної плівки" [3]. Найоптимальнішим виявився режим тертя, за якого питоме навантаження контактної зони тертя складало 5 МПа, лінійна швидкість ковзання 2,9 м/с, з обмеженням (за рахунок тепловідведення [1]) максимальної температури саморозігрівання пари тертя на 50 °С. Слабко кисле органічне середовище, яким є гідрорідина АМГ-10, є класичним для пар бронза- сталь та оптимальним з погляду реалізації ефекту "вибірного перенесення" [2, 3]. Вказаний режим тертя був стаціонарним, характеризувався мінімальним коефіцієнтом тертя 0,015 - 0,022 впродовж останніх 85 % шляху тертя та мінімальною інтенсивністю зношування бронзи після проходження парою шляху 41 км, що дорівнювала 2 · 10-4 мг/мм2 на 1 км шляху тертя. Було зроблено висновок, що виміряна вели- чина інтенсивності зношування зумовлена переважно не стаціонарним режимом тертя, а початковим періодом припрацювання досліджуваної пари. Сам період припрацювання був характерним для "м’якого" режиму граничного тертя та складався з швидкоплинного (до 2,4 хв) початкового зменшення коефіцієнта тертя від стартового значення 0,064 до значень, нижчих за 0,04, та наступного тривалішого (до 33 хв) зменшення до величини 0,024. Відзначимо, що після розбирання пари візуально засвідчили наявність класичного для ефекту “вибірного перенесення” [3] мідного відтінку поверхонь тертя як бронзи, так й сталі. Для випадку бронзи мідний відтінок поверхонь тертя проявлявся під різними кутами зору та за оптичного збільшення до ×30 крат. За оптичного збільшення ×50 - 200 крат спостерігали специфічну "бархатисту" топографію рельєфу поверхні тертя бронзи (рис. 1, а), властиву "сервовитним плівкам" [3]. Подальші електронно- мікроскопічні дослідження (РЕМ) поверхні тертя бронзового зразка виявили характерний розмір поверх- невих зерен "сервовитної плівки" – 0,24 - 0,31 мкм. Оже - спектральні дослідження різних ділянок поверхні тертя бронзи підтвердили їх специфічний "відновлений" хімічний стан, що узгоджується з теорією ефекту "вибірного перенесення" [2, 3]. Методом Оже - спектроскопії було також виявлено, що відновлений стан поверхні тертя бронзи ("сервовитної плівки") обумовлюється наявністю в товстому (близько 2 мкм) поверхневому шарі бронзи атомів вуглецю в дуже значній концентрації, яка повільно зменшувалась від 71 ат. % на поверхні до 22 ат. % на глибині 1,5 мкм. Колір розпорошеної ділянки поверхні після винесення зразка з вакуумної камери на повітря виявився подібним до характерного для матеріалу бронзи. На рис. 1, а проілюстровано цей ефект зміни кольору: розпорошена йонами інертного газу ділянка поверхні (від діагоналі – в лівому нижньому куті) має властивий бронзі відтінок, світліший в чорно - білому зображенні порівняно з "сер- вовитною плівкою" (правий верхній кут). Розпорошення "сервовитної плівки" у вакуумній камері спек- трометра йонами аргону на вказану глибину призвело до зникнення "мідного" відтінку досліджуваної ділянки поверхневого шару бронзи, хоча атомна концентрація міді на ній після розпорошення поверхне- вого шару зросла в декілька разів. Отже, причину "мідного" відтінку "сервовитної плівки", утвореної структурною сумішшю атомів вуглецю та міді (елементів, які між собою практично не взаємодіють), потрібно ще вивчати. Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 75 а б Рис. 1 – Мікроструктура візуально "мідних" поверхонь тертя бронзи БрАЖМц10-3-1,5 після оптимального перебігу процесів "вибірного перенесення" в парі "бронза – сталь ШХ15 – гідрорідина АМГ-10": а – оптичне зображення (ділянку "сервовитної плівки" в лівому нижньому куті розпорошено у вакуумі йонами аргону); б – електронно-растрове зображення (SEI) мікрозони початкового руйнування "сервовитної плівки" (виділено), що відбулося внаслідок локального порушення оптимального режиму тертя на узбіччі доріжки тертя. Питоме навантаження 5 МПа, лінійна швидкість ковзання 2,9 м/с, максимальна температура саморозігрівання пари 50 °С. Стрілки вказують напрямок дії сили тертя Поверхні тертя сталі також мали передбачуваний теорією "вибірного перенесення" [3] візуально "мідний" відтінок. Але в усіх досліджених випадках концентрація міді на сталевій поверхні в зонах її "мідного" відтінку в усіх точках субмікронних поверхневих прошарків не перевищувала 4,7 ат. %. Натомість, концентрації заліза та кисню у тих самих прошарках сягали значень 36 - 44 та 46 - 54 ат. % відповідно. Тобто, мідь не створила окремої фази на поверхні тертя сталі в умовах оптимального перебігу процесів "вибірного перенесення", а "мідний" відтінок поверхонь тертя сталі ШХ15 обумовили плівки оксидів заліза субмікронної товщини. Ключові результати вказаних досліджень ретельно проаналізовані нами в [1]. Вже незначна зміна навантажувально-швидкісних та температурних умов тертя призводить до зміни режиму тертя. Методами електрононної мікроскопії виявлено мікрозони початкового руйнування "сервовитної плівки" (рис. 1, б). Слід звернути увагу на чіткі краї зони руйнування плівки та структуровані вздовж напрямку тертя підповерхневі прошарки, що більш характерні для пружного матеріалу, зокрема, для поверхонь тертя загартованої сталі [1]. Зміна режиму тертя супроводжується зростанням коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування обох елементів пари. Підвищення температури саморозігрівання пари бронза - сталь за однакових наван- тажувально-швидкісних умов тертя, що задається зменшенням інтенсивності охолодження пари [1], а та- кож збільшення локальної температури мікроконтактів зони тертя зумовлює різке зменшення товщини навуглецьованого поверхневого шару бронзи, але, водночас, викликає відповідно різке зростання товщи- ни окисненого поверхневого шару сталі та посилює ступінь його окиснення. Профілі розподілу атомарної концентрації базових металів у межах контактних границь тертя пари бронза - сталь чітко ілюструють цей ефект (рис. 2, а). На графіках криві, що стосуються спряжених у контактній зоні поверх- невих мікроділянок бронзи та сталі побудовано в протилежних від межі поділу напрямках: для поверхне- вих шарів сталі в напрямку від’ємних значень осі абсцис, а для бронзи – в напрямку її позитивних зна- чень, враховуючи, що на границі тертя (межі поділу між зразком та контртілом пари бронза - сталь) ко- ордината дорівнює нулю h = 0. Повні концентраційні профілі хімічних елементів у тертьових поверхне- вих шарах бронзи та сталі для досліджених випадків даної пари тертя наведено в [1]. Криві на рис. 2 та 3 повністю відповідають цим концентраційним профілям, але обумовлюють нове бачення структури та властивостей поверхневих шарів дослідженої пари бронза сталь. Одночасний аналіз профілів для спряжених під час тертя мікроділянок поверхонь пари бронза- сталь виявляє наявність та локалізацію в поверхневих шарах контактної зони механохімічно утвореного комплексного тертьового шару товщиною 1,5 - 2 мкм (рис. 2, а). Підвищення температури на мікроконтактах пари бронза - сталь призводить до своєрідного пересування зони локалізації тертьового шару від навуглецьованих поверхневих шарів бронзи до окиснених поверхневих шарів сталі (рис. 2, а, криві 1 → 2 → 3). Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 76 а б Рис. 2 – Профілі розподілу в тертьових поверхневих шарах пари "бронза-сталь-АМГ-10": а – концентрацій Сі заліза та міді; б – сумарних концентрацій Сіj заліза та кисню для випадку сталі ШХ15, вуглецю та міді для бронзи БрАЖМц, а також сумарних концентрації СΣ відповідної решти елементів для кожного з металевих сплавів. Саморозігрівання пари до температур: 1 – 50 ºС; 2 та 3 – 125 ºС (ділянки поверхневих мікрозон 1 та 2 відповідно [1], яким відповідали різні локальні температури (Т2 > T1) мікроконтактів зони тертя). Позначення: КЗТ – контактна зона тертя (h = 0); h – відстань від КЗТ Всебічний кореляційний аналіз наведених в [1] концентраційних профілів різних хімічних еле- ментів у поверхневих шарах бронзи та сталі виявив, що на віддалі від граничної поверхні (на рис. 2 – КЗТ) сумарна атомарна концентрація вуглецю та міді в межах механохімічно утвореного поверхневого шару бронзи та сумарна концентрація атомів заліза та кисню в межах відповідного поверхневого шару сталі є приблизно сталими та характеристичними величинами (рис. 2, б, екстраполяційні прямі). Подібні закономірності властиві ізоморфізму – явищу атомарного заміщення одних елементів на інші в кристалах у широких діапазонах зміни відносних концентрацій [7]. Це стало для нас підґрунтям для твердження про композиційний тип структури тертьових поверхневих шарів бронзи (включаючи випадок "сервовитної плівки") [1], про що йшлося вище під час розгляду сучасного стану проблеми. Значення вказаної характеристичної величини для бронзи вказує атомарну (молярну) долю ізоморфної суміші вуг- лецю та міді як однієї з мікроструктурних фаз у складі композиційного конгломерату. Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 77 Для бронзи водночас із зменшенням товщини її механохімічно утвореного поверхневого шару від збільшення локальної температури мікроконтактів зони тертя доля ізоморфної фази вуглець - мідь спочатку дискретно зростає, а далі зменшується, тобто має екстремальну залежність від температури. Натомість, залежності на рис. 2, б свідчать, що доля ізоморфної (можливо, наноскопічної) суміші заліза та кисню в поверхневих шарах сталі ШХ15 змінюється в околі усередненого значення 92 ат. %, яке, практично, не залежить від температури експерименту, не зважаючи на значну різницю в ступіні окиснення та товщині механохімічно утвореного поверхневого шару сталі для досліджених випадків. Отже, в поверхневих шарах сталі ШХ15 вказані механохімічні перетворення відбуваються з різною інтенсивністю, але, ймовірно, мають подібну природу. Аналіз елементної щільності механохімічно утворених поверхневих шарів контактної зони на границях між спряженими мікроділянками поверхонь тертя пари бронза - сталь виявляє (рис. 3) загальні тенденції та структурні особливості в їх тонкоплівковій будові, які будуть проілюстровані далі. Рис. 3 – Профілі елементної щільності тертьових поверхневих шарів контактної зони пари "бронза БрАЖМц – сталь ШХ15 –гідрорідина АМГ-10" в залежності від температури її саморозігрівання: 1 – 50 ºС; 2 та 3 – 125 ºС (ділянки поверхневих мікрозон 1 та 2 відповідно [1] для різних локальних температур (Т2 > T1) мікроконтактів зони тертя) Досліджуючи поверхні тертя бронзи та сталі відокремлено одні від інших, згідно з рівняннями (2) та (3) виявляємо характерні для обох матеріалів, хоча й різні за товщиною для різних досліджених випадків, поверхневі шари, що створюють загальну тонкоплівкову комплексну структуру тертьового по- верхневого шару в цілому. Структурні типи цих поверхневих шарів з певною мірою умовності можна по- значити наступним чином: об’єм матеріалу → підповерхневий елементно-розріджений прошарок → механохімічно утворений приповерхневий шар → перехідний поверхневий елементно-розріджений про- шарок → тонкий граничний поверхневий елементно-ущільнений шар (тобто, безпосередньо тертьова границя контактної зони). Аналізуючи ж спряжені ділянки контактної зони водночас (рівняння (4)) отримуємо нагоду відтворити розвиток деформаційно-активованих процесів контактної зони. Профілі елементної щільності на рис. 3 ілюструють експериментально виявлену за результатами Оже-спектрального аналізу поверхневих шарів різницю між значеннями елементної щільності матеріалів бронзи БрАЖМц10-3-1,5 та сталі ШХ15. Характерна для об’єму елементна щільність даної бронзи вища за елементну щільність сталі: 19,0)Br/St( ≈Сh ; 0102 SS > . (9) Ймовірно, що саме ця обставина обумовлює значне механохімічне ущільнення тонкого гранич- ного поверхневого шару сталі (рис. 3; профілі, спрямовані вліво від КЗТ) у контактній зоні пари бронза- сталь. Максимальне ущільнення цього шару досягається у випадку утворення "сервовитної плівки" на поверхні бронзи (випадок нижчої температури саморозігрівання пари 50 ºС). Значення елементної Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 78 щільності в цьому разі ( )hCh1 = 0,45, що більш ніж вдвічі перевищує значення, характерне для об’єму бронзи (9). Але елементна щільність глибше розташованого механохімічно окисненого приповерхневого шару вже дорівнює об’ємній щільності сталі 01S (величина ( )hCh1 = 0). Цей приповерхневий шар, що має, як визначено вище, структуру композиційного типу, відмежовується від ущільненого граничного поверхневого шару та від об’єму сталі розрідженими прошарками, для яких величина ( )hCh1 < 0. Найбільша ступінь розрідження елементного складу цих прошарків відносно об’єму має величину ( )hCh1 ≈ –0,16. Зростання температури контактної зони (випадок 125 ºС) викликає зменшення елементної щільності ( )hCh1 граничного поверхневого шару сталі до значень, близьких до об’ємної щільності бронзи (9). Товщина глибшого механохімічно утвореного приповерхневого шару сталі, що має однакову з її об’ємом елементну щільність (рис. 3), зростає від 70 нм (випадок 50 ºС) до 400 нм (125 ºС). Загалом, зареєстрований за різних температур діапазон зміни значень характеристики елементної щільності по- верхневих прошарків –0,16 ( ) ≤≤ hCh1 0,45 є характерним для поверхонь тертя сталі ШХ15 в парах сталь-сталь (наприклад, [6]) та обумовлюється загальновідомими процесами перетворення поверхневих шарів сталі в зонах тертя [8, 9]. Профілі елементної щільності поверхневих шарів бронзи (рис. 3; профілі вправо від КЗТ) свідчать про особливості цього матеріалу порівняно зі сталлю. Аналіз кривої 3 у співставленні з відповідними їй кривими на рис. 2 та профілями концентрацій елементів, наведеними в [1], свідчить, що за підвищених температур під механохімічно навуглецьованим приповерхневим шаром бронзи утворюється елементно-розріджений підповерхневий прошарок. Найбільший ступінь розрідження цього прошарку близький до ступеня розрідження відповідного прошарку сталі: ( ) ≈hCh12 – 0,06. Це значення відповідає (рівняння (2), (7) та (9)) набагато більшому розрідженню відносно об’ємної щільності самої бронзи: ( ) ≈hCh2 –0,22 (рис. 3). Отже, для випадку максимальної температури мікроконтактів зони тертя (рис. 3, крива 3) в прак- тично однаково заглиблених підповерхневих прошарках експериментально спостерігаємо ефект вирівнювання елементної щільності матеріалів різної природи, що мають відмінні значення цієї характе- ристики в своїх об’ємах – підповерхневий шар елементно - щільнішої бронзи (рис. 3 та оцінювання (9)) розріджується значно сильніше у порівнянні з відповідним шаром менш елементно - щільної сталі. Пере- думови для подібного вирівнювання елементної щільності підповерхневих прошарків можна бачити в розподілі контактних напружень у парі тертя, що створюють тривалу тангенційну деформацію розтягу- вання прошарків [10] за динамічних впливів тертя. Збільшення концентрації вуглецю в механохімічно утвореному приповерхневому та граничному поверхневому шарах бронзи корелює із зникненням з боку поверхні розрідженого стану та зростанням елементної щільності поверхневих шарів. Сплески ущільнення в приповерхневому шарі (крива 3) сяга- ють величин ( ) ≈hCh12 0,43 та ( ) ≈hCh2 0,20. За вказаними результатами досліджень робимо висновок, що механохімічне утворення під час тертя такої мікроструктурної фази, як ізоморфна суміш "вуглець - мідь", сприяє ущільненню приповерх- невого шару бронзи не тільки відносно матеріалу сталі ШХ15 (величина ( )hCh12 ), але й відносно матеріалу бронзи. Такий же висновок робимо й стосовно фізико-хімічного стану "сервовитної плівки" (рис. 2 та 3, крива 1). В дослідженому нами випадку пари бронза - сталь "сервовитна плівка" – це товстий (більший за 1,5 мкм), сильно елементно ущільнений порівняно з об’ємом бронзи та сталі (максимальне ущільнення ( ) ≈hCh2 0,19 та ( ) ≈hCh12 0,42), механохімічно утворений та "сильно розвинений" припо- верхневий шар у поверхневих шарах бронзи. Суттєво різні товщини механохімічно утворених приповерхневих шарів бронзи та сталі для різних температур контактної зони тертя повинні віддзеркалюватися у вигляді мікроструктурних особли- востей поверхонь тертя. З метою виявлення поверхневих прошарків різного типу методами оптичної та електронної растрової мікроскопії дослідили різні мікроділянки поверхонь тертя бронзи та сталі до та після їх розпорошення йонами інертного газу у вакуумній камері спектрометру (рис. 4). Аналіз мікроструктури вказаних ділянок виявив чисельні підтвердження наявності зміцненого та квазикрихкого стану приповерхневих шарів бронзи та сталі в режимі оптимального перебігу процесів "вибірного перенесення" для досліджуваної пари бронза - сталь (рис. 4, а, б; рис. 1, б; а також результати роботи [1] для сталі), а з іншого боку, засвідчив пластичність механохімічно утвореного приповерхнево- го шару сталі (рис. 4, г) та розріджений стан підповерхневих прошарків бронзи (рис. 4, в) для цієї ж пари за підвищених температур (125 ºС). Для демонстрування реологічних властивостей поверхні тертя загартованої сталі ШХ15 індентором нанесено подряпину поперек напрямку тертя ковзання (рис. 4, г), Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 79 яка проілюструвала пластичний стан механохімічно сильно окисненого приповерхневого шару сталі за підвищеної температури саморозігрівання контактної зони тертя. а б в г Рис. 4 – Мікроструктурні особливості (SEI) поверхонь тертя пари "бронза (а, в) – сталь (б, г) ", що мали візуально "мідний" відтінок для випадку саморозігрівання пари до температур 50 ºС (а, б) та 125 ºС (в, г): а – ефекти структурування, а також квазикрихкого руйнування (виділено) приповерхневого шару "сервовитної плівки" на бронзі; б – квазикрихке руйнування смуг ковзання на поверхні сталі в режимі "вибірного перенесення"; в – розріджений підповерхневий шар бронзи після розпорошення поверхні зразка на глибину близько 750 нм; г – пластичність механохімічно утвореного приповерхневого шару сталі та структурування вздовж напрямку тертя її "ювенільних" підповерхневих прошарків. 1 – залишки механохімічно утворених приповерхневих шарів бронзи після розпорошення її поверхні йонами аргону; 2 – подряпина, що підтверджує пластичність приповерхневого шару сталі. Стрілки вказують напрямок дії сили тертя Відзначимо, що, не зважаючи на перевагу "сервовитної плівки" (50 ºС) за товщиною у складі комплексного тертьового шару контактної зони (рис. 2, а, крива 1), внаслідок сильно ущільненого еле- ментного стану цієї плівки процеси зсуву, ймовірно, локалізуються в значно тоншому (50 - 100 нм) еле- ментно - розрідженому поверхневому прошарку сталі (рис. 3, крива 1). Аналіз концентраційних профілів хімічних елементів для даного випадку, наведених в [1], виявляє локалізовані саме в цьому окисненому та елементно - розрідженому прошарку сталі максимальні концентрації домішки міді (від 2 до 4,7 ат. %). З боку ж поверхневих шарів бронзи над "сервовитною плівкою" (елементно - ущільненим приповерхне- вим шаром) утворюється перехідний поверхневий "прошарок" товщиною близько 200 нм, який має еле- ментну щільність "об’ємного матеріалу" бронзи, хоча й характеризується низьким значенням концентрації міді (рис. 2 та 3, крива 1). На нашу думку, цей прошарок створюють поверхневі субмікрозерна, які спостерігали методом електронної растрової мікроскопії на цільній (без розпорошен- ня йонами аргону) поверхні тертя бронзи. Їх характерний розмір був наведений на початку статті. Пев- ний рівень пластичності цих поверхневих субмікрозерен бронзи проілюстровано в [1]. Крива 2 на рис. 2 та 3 відображає наявність поверхневих структур, які є перехідними між відповідними структурами для випадків мінімальної (утворення "сервовитної плівки", крива 1) та Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 80 максимальної (сильне відхилення від оптимального перебігу процесів, крива 3) температур саморозігрівання пари бронза - сталь. Загалом, наявність подібних перехідних структур (крива 2) підтверджує виявлені тенденції та свідчить про закономірний перебіг процесів механохімічного утво- рення тертьових поверхневих шарів досліджуваної пари, який охарактеризуємо наступним чином. Утворення “сервовитної плівки” в поверхневих шарах бронзи з феноменологічного погляду є, очевидно (хоча це й суперечить електрохімічній концепції її виникнення [3]), механічно активованим екзотермічним процесом, який супроводжується відпуском поверхневих шарів сталі (випадок саморозігрівання до 125 ºС; крива 2 на графіках) з наступною зміною характеру механохімічних пере- творень поверхневих шарів бронзи та сталі (крива 3). Інтенсивне охолодження пари бронза-сталь у по- чатковий період її припрацювання до наближеного до кімнатних температур рівня (випадок 50 ºС; крива 1 на графіках) уповільнює процеси відпуску сталі, чим обумовлює стабільний перебіг ефектів коопера- тивного утворення зносостійкої структури в контактній зоні тертя цієї пари. Висновки Після чіткої ідентифікації на феноменологічному та мікроскопічному рівнях ефекту "вибірного перенесення" досліджено закономірності зміни елементної щільності та мікроструктури поверхневих шарів бронзи та сталі на границях між спряженими мікроділянками контактної зони тертя пари бронза- сталь під впливом температури. Вивчено загальні принципи тонкоплівкової побудови комплексного тер- тьового поверхневого шару контактної зони в цілому, що полягають у закономірному розташуванні еле- ментно-ущільнених поверхневих шарів та елементно-розріджених структурних прошарків. Виявлено, що механохімічне утворення в зоні тертя мікроструктурної ізоморфної фази "вуглець- мідь" сприяє ущільненню поверхневих шарів бронзи. У випадку дослідженої пари бронза - сталь "серво- витна плівка" – це товстий (близько 2 мкм), елементно - ущільнений порівняно з об’ємом бронзи та сталі, квазикрихкий механохімічно утворений приповерхневий шар у поверхневих шарах бронзи, прикритий з боку поверхні пластичними субмікрозернами та тонким граничним елементно - ущільненим поверхне- вим шаром на основі вуглецю. Утворення "сервовитної плівки" в поверхневих шарах бронзи з феномено- логічного погляду є механічно активованим екзотермічним процесом, який супроводжується відпуском поверхневих шарів сталі. Інтенсивне охолодження пари бронза - сталь у початковий період її припрацю- вання обумовлює стабільний перебіг ефектів кооперативного утворення зносостійкої структури в конта- ктній зоні тертя цієї пари. Література 1. Кіндрачук М.В., Міщук О.О., Данілов А.П., Хлевна Ю.Л. Особливості взаємодії та стан повер- хонь тертя пари бронза-сталь // Проблеми трибології. – 2013. – № 1(67). – С. 58-69. 2. Кіндрачук М.В., Лабунець В.Ф., Пашечко М.І., Корбут Є.В. Трибологія. – К.: НАУ-друк, 2009. – 392 с. 3. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): 4 изд. – М.: МСХА, 2001. – 606 с. 4. Schell J., Heilmann P., Rigney D.A. Friction and wear of Cu-Ni alloys // Wear. – 1982. – V. 75. – P. 205-220. 5. Міщук О.О. Методологія Оже-спектрального дослідження тонкоплівкової структури повер- хонь тертя / Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. – Київ: НАУ-друк, 2010. – Вип. 53. – С. 59-70. 6. Міщук О.О., Телемко О.В., Цаплій М.П. Багатоваріантність механохімічного структурування сталевої поверхні в контактній зоні тертя під впливом дитіофосфату // Проблеми тертя та зношування. – 2013. – № 2 (61). – С. 29-36. 7. Макаров Е.С. Изоморфизм атомов в кристаллах. – Москва: Атомиздат, 1973. – 288 с. 8. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К., Л.И. Бершадский, Н.Б. Костецкая, В.А. Ляш- ко, М.Ф. Сагач. Поверхностная прочность материалов при трении / Под общ. ред. Б.И. Костецкого. – К.: Техніка, 1976. – 296 с. 9. Шевеля В.В., Олександренко В.П. Трибохимия и реология износостойкости. – Хмельницкий: ХНУ, 2006. – 278 с. 10. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. – М.: Мир, 1989. – 510 с. Поступила в редакцію 13.11.2013 Особливий стан поверхневих шарів контактної зони тертя пари бронза - сталь Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 81 Kindrachuk M.V., Mishchuk O.A., Khlevna Yu.L., Danilov A.P. Peculiar state of surface layers of the branch- steel pair contact friction zone. By the methods of Auger electron spectroscopy and nanoscopic surface layer ion etching, scanner electron and op- tical microscopy, the conjugate micro-regions of the friction surfaces of the bronze-steel pair were archived. New data about the creation mechanism and properties of surface “served film” on the bronze were found. The elemental density and surface thin-layer structure of friction contact zone were analyzed. The high dense elemental state of the “served film” in the branch pre-surface layer was evinced. Key words: branch, steel, friction, surface layers, density, Auger analysis. Reference 1. Kindrachuk M.V., Mishchuk O.A., Danilov A.P., Khlevna Yu.L. The interaction peculiarities and states of friction surfaces of the branch-steel pairs. Problems of Tribology. 2013. No. 1 (67). P. 58-69. 2. Kindrachuk M.V., Labunets V.F., Pashechko М.І., Korbut E.V. Tribology. Kyiv: NAU-Druk, 2009. 392 p. 3. Garkunov D.N. Tribotechniques (wear and without wear): 4 ed. Moscow: МСKhА, 2001. 606 p. 4. Schell J., Heilmann P., Rigney D.A. Friction and wear of Cu-Ni alloys. Wear. 1982. V. 75. P. 205-220. 5. Mishchuk O.A. Methodology of Auger electron study of thin-structure of friction surfaces. Problems of Friction and Wear: Sci. Tech. Magazine. Кyiv NAU-Druk, 2010. V. 53. P. 59-70. 6. Mishchuk O.A., Тelemko O.V., Tsapliy M.P. Variety of steel surface tribochemical structurization in friction contact zone at dithiophosphate actions. Problems of Friction and Wear. 2013. No. 2 (61). P. 29-36. 7. Мakarov E.S. Atomic isomorphism in crystals. Moscow, Аtomizdat, 1973. 288 p. 8. Kostetsky B.I., Nosovsky I.G., Karaulov A.K., Bershadsky L.I., Kostetskaya N.B., Lyashko V.A., Sagach M.F. Material surface strength at friction. Ed. B.I. Kostetsky. Кyiv, Techniques, 1976. 296 p. 9. Shevelya V.V., Oleksandrenko V.P. Tribochemistry and rheology of wear-firmness. Khmelnitskiy: KhNU, 2006. 278 p. 10. Johnson K.L. Contact mechanics. Cambridge, Cambridge University Press, 1985.